LASER


För att förstå det här arbetet kan det vara bra att veta vad en laser
egentligen är, och hur den fungerar. Ordet laser är en förkortning, det
står för Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
(ljusförstärkning med hjälp av stimulerad utsändning av strålning.)
Skillnaden mellan laserljus och vanligt ljus är att medan en vanlig
glödlampa skickar ut ljus i flera våglängder, och i flera olika
riktningar, har allt ljus från en laser exakt samma våglängd, och är
helt parallellt. För att förstå varför man kan få ljuset att bli
parallellt måste man förstå vad ljus är.


Ljus förklarat på ett lätt sätt är ett elektriskt fält som varierar i
styrka som en våg. Ett elektriskt fält har förmågan att påverka allt som
har en elektrisk laddning (t ex en elektron). När det elektriska fältet
kommer nära en atom kommer elektronerna att börja gå i ellipsbanor runt
kärnan. Detta betyder att elektronerna kommer att kunna hoppa mellan
första och andra atomskalet som har lediga platser för elektroner.

Om man ska få ut rött ljus från en laser belyser man mediet, (det ämne
som ska sända ut laserljuset), med ljus av en kortare våglängd (ofta
grönt). När atomerna i mediet träffas av det gröna ljuset kommer
elektronerna att hoppa ut till det tredje lediga skalet, ligga där under
en väldigt kort tid och sedan falla tillbaka till det andra skalet. Det
är när elektronerna faller tillbaka från skal två till skal ett som ljus
utsänds från atomen. Eftersom alla elektronerna samtidigt hoppade till
det tredje skalet kommer ljuset att ha samma våglängd.
Om man ska förstå hur en laser fungerar är en bra liknelse den med
rundgång mellan mikrofon, högtalare och förstärkare. Om en förstärkare
förstärker 10 000 gånger så blir det rundgång om mikrofonen kommer så
nära högtalaren att den plockar upp mer än en tiotusendel (säg t ex en
femtusendel). Detta eftersom ljudet då förstärks med förstärkningen
gånger det som plockas upp (återkopplas) av mikrofonen (i vårt fall
tiotusen gånger en femtusendel dvs. två gånger).

En laser är rundgång för ljus. För att göra detta behöver vi
återkopplare och förstärkare. Vi börjar med förstärkare. När
elektronerna i exemplet ovan kommer till skal nummer två ligger de där i
ungefär en millisekund. Om ingenting inträffar ramlar de ner till skal
ett och vanligt rött ljus sänds ut. Men om en ljusstråle med rätt
våglängd passerar tillräckligt nära kommer elektronerna att ramla ner
till skal ett samtidigt som de förstärker den förbipasserande
ljusstrålen. Denna förstärkning sker i samma riktning och i samma takt
som den förbipasserande strålen har.


Maimans Rubinlaser

Den förste som lyckades bygga en laser, eller en optisk maser som det
kallades då, var Theodore Maiman. En beskrivning av hans laser finns
nedan.

Mediet i laser är en konstgjord rubinstav, ca 15 cm lång och med en
diameter på ungefär 1 cm.  Den ena kortänden är helförsilvrad vilket gör
den reflekterande. Den andra kortänden, den ifrån vilket ljuset ska
komma, är halvförsilvrad. Detta betyder att den kommer att släppa igenom
hälften av allt det ljus som träffar den, och reflekterar den andra
hälften.


När ljus utsänds från någonting inuti denna kommer det alltså att
reflekteras totalt överallt, utom mot den halvförsilvrade ytan som
skickar tillbaka 50% av sitt ljus till den bakre väggen. Som
pumpningskälla, (det ljus man skickar mot mediet), till denna laser
använder man en elektronblixt, som när den tänds får elektronerna att gå
i elliptiska banor (se: Vad är en laser). Det gröna ljuset från
elektronblixten lyfter elektronerna till den tredje nivån. Därifrån
faller de raskt ner till nivå två. Innan lasern har tänts finns nu inget
ljus som i våglängd precis motsvarar ett hopp från nivå två till ett.
Till att börja med kan alltså ingen förstärkning ske. Det röda ljuset
skickas ut åt alla håll och är då inte laserljus. Men förr eller senare
sänds en sådan ljusstråle ut precis vinkelrätt mot spegeln. Denna kommer
då att förstärkas och återkopplas omväxlande, dvs en laserstråle växer
upp mellan speglarna. Återkopplingen gör alltså att ljuset bara kan gå
fram och tillbaka mellan speglarna. Vi har alltså fått en parallell,
enfärgad ljusstråle: en laserstråle. Rubinlasern var den första laser
som byggdes men har nu blivit ganska omodern, bl a därför att ljuset
bara kan skickas ut i pulsad form. Försöker man få staven att lysa hela
tiden kommer denna, trots kylning, att bli så varm att den förstörs.




Nyare lasertyper

Ett material som nu mera är vanligt att göra laserstavar av är
neodym-dopad YAG, som är en kristall som kan ge infrarött laserljus.
Detta ljus kan vi inte se med våra ögon. Men för alla användnings
områden där man använder detektorer eller elektroniska kameror går det
minst lika bra med infrarött ljus. Detta gäller t ex
lasermätutrustningar som jag ska berätta mer om sedan.

Ännu vanligare numera är att det lasrande materialet är en gas. Detta
gäller t ex i helium-neon lasrar som ger rött ljus och kommit att bli de
vanligaste lasrarna för demonstrationsändamål t ex i skolorna. Eftersom
den är relativt billig men ändå har bra strålkvalitet, används den ofta
även för mindre ljuskrävande mätändamål. När mera ljus krävs te x vid
mätning av stora avstånd använder man i stället argonjonslaser som ger
grönt eller blå-grönt ljus.
Men den i särklass vanligaste lasern är halvledarlasern som förekommer i
många tillämpningar där strålkvaliteten inte måste vara så bra, där
utrymmet är begränsat eller där ett lågt pris är viktigt. Sådana sitter
t ex i CD-spelare, laserskrivare och i butikskassor. Denna laser är
mycket liten, hela utrymmet mellan speglarna är ofta bara 0,1 mm. Denna
lasertyp används också tillsammans med optiska fibrer i
telekommunikation

Användningsområden för laser
Laser kan användas till många saker. De områden som jag tänkte sa upp
är:

? Laser inom sjukvården
? Laser som mätinstrument
? Laser inom militären

Eftersom man kan använda lasern till så mycket kan man tro att den har
många bra egenskaper men den har faktiskt bara tre:

Ljuset ligger i fas

Att ljuset ligger i fas betyder att fotonerna svänger i takt med
varandra.



Ljuset är enfärgat

Allt laserljus från en och samma laser är av exakt samma våglängd vilket
medför att allt ljuset har samma färg.



Ljuset är parallellt

Alla fotoner är på väg åt något så när samma håll, vilket ger en liten
belysningsytan även på långt håll. Detta gör även att laserljuset är
lätt att fokusera.






laser inom sjukvården

Laser används inom sjukvården vid olika operationer i stället för en
Vanlig skalpell. Den egenskap som kommer till nytta här är att ljuset är

parallellt vilket som sagt gör att man kan fokusera ljuset till en liten

mycket varm punkt ( ca 8000°C(lasern man använder är på ca 10W)
med en lins. Fördelarna med att använda laser i stället för skalpell är
bl a att blodet i ett blodkärl som blivit avskuret med laser koagulerar
omedelbart, samt att en laser aldrig lämnar några rester efter sig. Ljus
är
så sterilt som någonting kan bli.


Det sistnämnda är till stor hjälp om man t ex ska operera mot grön
starr, en ögonsjukdom som beror på att trycket inne i ögats kammare blir
för högt. Orsaken till sjukdomen har varit känd i över 150 år, så att
borra i ögat för att minska trycket är ingen ny idé. Gör man det med en
metallborr blir det dock alltid rester av borren kvar i såret (inga
stora bitar men tillräckligt för att ögat ska reagera på irritationen).
Dessa retar ögat till att bygga igen såret så ungefär tre veckor efter
ingreppet måste man operera igen.

Om man i stället gör ingreppet med laser blir det mycket mindre
komplikationer, 8000° räcker för att helt och hållet förånga all vävnad,
så att det blir ett mycket litet men ändå helt rent hål. Ljus lämnar
inga spår efter sig. Efter ett tag fylls hålet igen av avlagringar från
bl a tårvätska, men detta tar oftast 20-30 år. De första lyckade
försöken att behandla grön starr på detta sättet utfördes för ca 25 år
sedan.

Redan i början av seklet gjorde man i Ryssland försök att bota lättare
synfel av typen när-/långsynthet genom att skära litet i ögats yttersta
del, hornhinnan, och därmed förändra ljusbrytningen i den. Denna metod
var dock långt ifrån tillförlitlig, eftersom man helt och hållet var
tvungen att lita på att läkaren bedömde snittet helt rätt. Om han slant
kunde han förstöra hela ögat! Under 80-talet utvecklades tekniken att
göra samma ingrepp med en excimerlaser (en laser som ger ultraviolett
ljus). Lasern styrdes av en dator, som var betydligt "stadigare på
handen" än en rysk läkare. Resultaten var goda och denna metod har
blivit allt vanligare under 90-talet.

Kirurgiska ingrepp är dock det ända man kan en laser till inom
sjukvården. De sk laserklinikerna som påstår sig kunna behandla bl a
ryggont med laser är enbart bluff. Naturligtvis uppkommer det i många
fall en placeboeffekt, men behandlingen skulle aldrig fungera på någon
som är skeptisk.

Laser som dessa "kliniker" har tillstånd att använda får inte vara
starkare än 5 milliwatt. Inom ögonkirurgin använder man alltså en laser
som är på ca 10 W = 10 000 milliwatt. Den maximala effekten man kan få
ur en sådan laser mot en människas ryggtavla är jämförbart med den som
fås om man håller en tänd cigarettändare
20 cm  från ryggen. (Vid sidan om, inte under). Om man själv provar med
en tändare känner man att det inte är så mycket.
Laser som mätinstrument
Eftersom laser ljuset är parallellt har det förmågan att färdas långa
sträckor och fortfarande vara samlat i ett litet knippe när det kommer
fram. Detta kommer till god användning när man ska mäta avstånd.

Det första sättet som användes (och det enklaste) var att helt enkelt
använda lasern som radar. Man skickar iväg en impuls av ljus och mäter
hur lång tid det tar för ljuset att komma tillbaka. Detta fungerar inte
på korta sträckor eftersom tiden det tar för ljuset att komma tillbaka
blir för kort för att kunna mätas. Ljuset färdas nämligen 300 000 km på
en sekund. Laserradar används därför bara på avsnitt längre än 500 m.
Noggrannheten är ca 1 m på en km.

Den metod som oftast använd för avståndsmätning numera är triangulering,
som både är noggrannare (1cm på 1km) och har fördelen att det går att
mäta avstånd ner till 1 cm med den.




Laser inom militären
Sedan de första dagar då artelleripjäser gjort det möjligt att skjuta
enorma mängder sprängämnen på ett speciellt mål, har man strävat efter
att få bättre precision i skjutandet. Det hittills yttersta av denna
sträva har medierna gång på gång matat oss med i form av bilder från
gulfkriget, där amerikanerna använde sina "smart bombs". De är bomber
vars precision tangerar gränserna för det möjliga. Den uppfinning som
gjorde det möjligt att från tio kilometers håll styra in en raket genom
ett irakiskt källarfönster var lasern.

Forskningen bakom laserstyrda bomber mötte i början många problem. Att
stadigt fästa på en punkt från ett flygplan som förflyttade sig med hög
hastighet var en enorm utmaning, frånsett de extra komplikationer som
medförs av undanmanövrar och luftgropar.

Föregångaren till gulfkrigets lasersikten var det amerikanska
Paveway-systemet, vilket gick ut på att belysa mål med en radarstråle.
En sensor i bombspetsen fånar sedan upp den reflekterade strålningen och
navigerar efter den. Detta system togs i bruk 1967 och finns fortfarande
kvar i äldre bombplan.

Ett stort steg i utvecklingen av effektiva lasersikten togs i och med
konstruktionen av ett gyro (ett gyro kan hålla kompassen rakt hur det än
guppar i planet ) som kunde rotera så fort att "lasermålningen" förblev
stadig även vid överljudsbombningar. De lasrar som oftast användes i
lasersiktena var antingen YAG eller koldioxidlasrar.

En annan gren inom utvecklingen blev att ta fram en pekare som var liten
och lätt nog att bäras av infanteriet. Nu kunde man skicka in små
styrkor av soldater med bärbara lasersikten att välja ut strategiskt
viktiga mål i förväg.

Strategic Defence Initiative

Strategic Defence Initiative ( SDI ) var den amerikanske president
Reagans storslagna program menat att minska hotet från sk ICBM,
interkonentala kärnvapenbärande robotar. Projektet, som i folkmun
kallades "Star Wars" gick ut på att med hjälp av de modernaste tänkbara
metoder att skjuta ned och förstöra eventuella fientliga robotar innan
dessa nådde sitt mål. Detta skulle göras med högeffektiva pulslasrar
monterade på sateliter som täckte det amerikanska luftrummet. Hitintills
har dock satelitburna pulslasrar för militärt bruk förblivit en dröm,
eftersom kostnaderna för att transportera upp en sådan kraftkälla i
rymden skulle överstiga värdet på effektiviteten hos vapnet.